CC BY
64
Актуальные проблемы авиации и космонавтики. Технические науки
УДК 621.791.85
И. Ф. Зуйков, М. В. Киселев Научный руководитель - Н. А. Амельченко Сибирский государственный аэрокосмический университет имени академика М. Ф. Решетнева, Красноярск
ПОВЕРХНОСТНАЯ ЗАКАЛКА ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫХ СТАЛЕЙ
Установлены механизмы структурных и фазовых превращений в инструментальных материалах при поверхностной обработке высококонцентрированными источниками нагрева и их влияние на уровень эксплуатационных свойств.
Повышение долговечности режущего инструмента за счет технологической модификации поверхностных слоев материала является одним из приоритетных направлений развития технологии машиностроения на современном этапе.
Для получения большой твердости в поверхностном слое деталей из конструкционных материалов с сохранением вязкой сердцевины на практике широко применяют диффузионное насыщение, лазерное легирование, поверхностную закалку и другие методы. Это обеспечивает износоустойчивость и одновременно высокую динамическую прочность. Однако это не в полной мере удовлетворяет предъявляемым требованиям по качеству, надежности и износостойкости для режущего инструмента.
Качественно новый уровень эксплуатационных характеристик достигается при поверхностной обработке инструментальных материалов высококонцентрированными источниками энергии: электронным и лазерным лучом или плазменной струей [1]. При локальном сверхскоростном тепловом воздействии на поверхность изменяется её микрорельеф, появляется возможность получения более высоких значений твердости, прочности и вязкости в сравнении с объёмной обработкой или традиционными методами механического упрочнения. Это обусловлено, прежде всего, образованием в поверхностном слое высокодисперсной метастабильной структуры с намного более высокой плотностью дислокаций.
В настоящей работе процессы фазовых и структурных превращений при плазменном упрочнении исследованы с использованием оптической и электронной микроскопии, путем замеров твердости и микротвёрдости, а также триботехнических испытаний. Для более полного изучения структуры сплава и выявления границ зёрен и их размеров поверхности шлифов образцов из инструментальных сталей 5ХНМ, Х12Ф1 подвергались обработке с применением химических реактивов. Проводилась также оценка глубины проплавления в зависимости от режимов обработки.
На основании исследований выявлено, что скоростные нагрев и охлаждение материалов при плазменном воздействии приводят к повышению дефектности структуры, так как усиливается фазовый наклеп, тормозятся процессы отдыха и рекристаллизации, более полно наследуются дефекты у-фазы. При этом происходит измельчение блоков, повышение плотности дислокаций и увеличение микронапряжений в кристаллической решётке.
Также установлено, что скоростной нагрев до около солидусных температур с применением плазменного источника вызывает более интенсивное (чем при объёмной закалке) растворение карбидной фазы и дополнительное насыщение твердого раствора углеродом и легирующими элементами. Следовательно, при такой обработке в поверхностном слое протекают химические и окислительные процессы.
Выявлено, что при охлаждении из твердого раствора выделяются высокодисперсные карбидные частицы, равномерно распределенные в мартенситной матрице. Это свидетельствует о частичном самоотпуске мартенсита. Разброс значений микротвёрдости поверхности обработанных материалов указывает на нестабильность процессов, протекающих в поверхностных слоях.
При плазменном воздействии на поверхность наблюдается процесс оплавления, что способствует образованию структуры дендритного литого материала, а также карбидных соединений на основе хрома.
>
а б в
Рис. 1. Микроструктура поверхностного слоя стали Х12Ф1 после упрочнения плазменным методом: а - вершина слоя; б, в - середина упрочненного слоя; г - структура основы металла
Сталь Х12Ф1 - это заэвтектойдная сталь, при нагреве до 727 °С изменений в структуре не происходит и сталь имеет структуру перлит + цементит вторичный (оттоженное состояние) (рис. 1, в), а после упрочнения микроструктура имеет литое состояние, дендридность и называется бейнитом (НВ 400-500) (рис. 1а). Бейнитное превращение характерно сочетанием особенностей как диффузионного - перлитного так и бездиффузионного - мартенситного превращений, и поэтому оно также называется промежуточным превращением. В зависимости от температуры изотермической выдержки микроструктура и механические свойства бейнита различны. Верхний бейнит имеет перистое строение, а нижний бейнит - игольчатое. В соответствии с рис. 1, а сталь имеют структуру перистого бейнита. Возможно образование карбидов хрома Сг3С2 и ванадия УС.
Секция « Технология производства ракетно-космической техники»
Рис. 2. Микроструктура стали 5ХНМ после упрочнения
плазменным методом: а - упрочненная зона; б - середина упрочненной зоны; в - граничная зона; г - сырой металл
Сталь 5ХНМ - это доэвтектойдная сталь, при нагреве до 727 °С превращений нет, и сталь имеет структуру перлит + феррит (рис. 2, г), а зона после упрочнения электрической дугой имеет структуру
реечного мартенсита (НВ 500-700) (рис. 2, б), который наблюдается в закаленных сталях низко- и среднеуг-леродистых. Кристаллы этого мартенсита имеют вид реек, вытянутых в одном направлении.
Можно предположить, что при таком методе следует искусственно создавать условия, при которых возможно протекание химических и окислительных процессов с целью образования карбидных или нит-ридных соединений в поверхностном слое материала.
Таким образом, на основе рассмотренного метода упрочнения выявлено, что при выполнении финишных операций необходимо назначение режимов обработки, обеспечивающих создание в поверхностном слое выгодных микроструктур, обладающих более высокой износостойкостью, противодействием коррозии и другими эксплуатационными характеристиками.
Библиографическая ссылка
1. Поболь И. Л. Использование электроннолучевого воздействия в технологиях второго поколения поверхностной обработки металлических материалов // Трение и износ. 1993. Т. 14. № 3. С. 524-531.
© Зуйков И. Ф., Киселев М. В., 2012
УДК 621.002.5
Д. А. Карабарин Научный руководитель - Г. Ф. Тарасов Сибирский государственный аэрокосмический университет имени академика М. Ф. Решетнева, Красноярск
ПОВЫШЕНИЕ ИЗНОСОСТОЙКОСТИ РАБОЧИХ ОРГАНОВ ЗЕМЛЕРОЙНЫХ МАШИН
Приведены результаты промышленных испытаний, разработанного способа повышения износостойкости рабочих органов землеройных машин, работающих в абразивной среде при низких температурах.
В современных условиях развития научно-технического прогресса и наращивания объемов производства конечного продукта происходит ужесточение режимов эксплуатации машин и оборудования различного функционального назначения (увеличение мощностей, нагрузок, и т. д.). Интенсификация режимов эксплуатации приводит к существенному снижению долговечности большинства деталей машин, особенно подвергающихся изнашиванию вследствие низкой износостойкости применяемых для их изготовления материалов. Это вызывает необходимость поиска вариантов решения задач повышения износостойкости деталей машин, особенно рабочих органов землеройных машин и инструмента, которые подвергаются абразивному изнашиванию.
Интенсивность абразивного изнашивания рабочих органов машин определяется многими факторами, основными из которых являются: гранулометрический состав и состояние абразивной среды, с которой контактирует деталь; свойства материала детали; температура окружающей среды, которая влияет одновременно и на свойства материала детали, и на состояние абразивной среды. В зависимости от указанных факторов сроки службы рабочих органов землеройных машин, а также других деталей, рабо-
тающих в абразивной среде изменяются в широком диапазоне.
В настоящее время широкое распространение получили способы повышения износостойкости деталей машин: увеличение запаса на износ, наплавка износостойкими материалами, применение износостойких покрытий, изменение физико-механических свойств материалов путем применения упрочняющей термической обработки, применение эффекта самозатачивания. Все перечисленные способы повышения износостойкости, безусловно, обеспечивают увеличение срока службы (долговечности) деталей машин. Однако эти методы нецелесообразно применять для деталей, подвергающихся абразивному изнашиванию, а особенно режущих органов землеройных машин по следующим причинам. Любой режущий орган землеройной машины (нож бульдозера, зуб экскаватора и др.) эффективно используется только на 30-40 %, поэтому замена материала или упрочнение термической обработкой таких деталей связаны с излишними, необоснованными затратами, при этом существенного повышения срока службы не достигается. Применение эффекта самозатачивания предполагает увеличение размеров режущих органов, что не всегда оправдано, и не всегда возможно осуществить.
